TWI281188B - Metal CMP slurry compositions that favor mechanical removal of metal oxides with reduced susceptibility to micro-scratching - Google Patents

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Description

• 1281188 九、發明說明： 申請案κ 本申請案係美國專樹請序號10/485,500，建權於腿妇月3〇 曰，其為PCT/KR02/01492 ’建檔於2002年8月6日，取得韓國專利申 ^«2001-47895 ^ ^2001 , 9 g , ^2〇〇2_m2 , 建檔於2002年5月21日者之優先權者的371之後續申請部分(cip); 而其揭示事項包含於此提供參考。 馨【發明所屬領域】 ，本發明涉及形成積體電路裝置的方法，而更具體地，係涉及利用化 層平整化的方法。 【先前技彳标】 積體電路晶片敎儀多層有圖案的金屬化材料以及大量的電氣 導電通孔，以提供嵌埋於積體電路細例如，半導體基板)内電子裝置 間之線路連接點。在-典型例子當中，電氣導電通孔可能垂直延伸經過 ♦ -或更多電氣絕緣層’因而在金屬化材料的下層和上層之間提供一種電 乱短路。如圖1A-1C所不’ -種為形成電氣導電通孔所用的傳統技術 包括在半導體紐1G的表社職—魏_層12 (例如，二氧化 石夕），其在基板10上具有多數活性區域(未顯示)靠近其表面處延伸者。 傳統技術因此可以被用來限定多數接觸孔洞16之範圍，其孔洞延伸通 過電氣絕緣層12 ’並露出各個活性區域(例如，N或p—型擴散區域）。 一種金屬層14 (例如’鶴(_接著可以按照形狀沉積於電氣絕緣芦 1281188 12的上表面上並進入接觸孔洞16。如圖示者，此一金屬層i4，可能是 有足夠的厚度喊全填離觸孔洞16者，但放可能包含乡數冶金上 的裂縫18 ’其辨識金屬層14二對面表面在接觸孔㈣之内互相接觸 者。即使在接觸孔洞16之内沒有金屬空隙也可能會出現這些裂縫Μ。 如圖1B所示’存在於電氣絕緣層12上表面上金屬層14的—部份 可能被移除，因而界定出許多導電通孔2〇的範圍。此一移除步驟可能 匕括以種研磨液對金屬層14進行化學機械性研磨(⑽)的製程。該研 磨步驟可能實施-段足夠時間以露出電氣絕緣層12的上表面。在某些 場合中’該研磨步驟可能導致開裂縫18，的形成，而在導電通孔2〇之内 =寄生式触隙。開_18，_射麟朗含有侧綱研磨液 者造成不與後果，其_彳係於研輕驟躺對金麟Μ作侵入式 蝕刻個。麵魏#巾此叙式化學侧敝可能導轉電通孔 20的上表面產生多餘的回綠就是，凹陷），如㈣所示。即使在研 磨進行時當-12上細露贈対廳面清洗也可 月=生此-多餘_。導電通孔2〇多餘回侧出現可能導致電氣 2上表面和導電通孔20的上表面之間缺少平整化，因而使得後 端-終結的處理程序更加複雜化。 =稱是⑽化學轉為金顧作化糊式研磨的技術 ,nRR 787 ^ 科人(Grumblne et al)的美國專利編號 6, 068, 787 中。該，787 專 旦％有一種起催化作用的硝酸鐵，已知的氧 化刎，可被加入另左认尸 的乳化劑(例如，過氧化氫），而在CMP研磨液 (S) 6 1281188 當中達成一種協同增加效用的結果，而其導致對鎢金屬層有高的化學韻 刻率和南的整體研磨率。使用鐵作為催化劑以加速CMp研磨亦已公開揭 示於授予哈達(Hata)的美國專利編號5, 948, 697中。授予古斯瑞等人 (Guthrie et al)的美國專利編號5, 709, 593也公開揭示利用含有活性 反應劑、研磨料和催化劑的研磨液對金屬層、半導體層和絕緣層的研磨 製程。可惜的是，產生高化學姓刻率的CMP研磨液可能容易受到有關上 圖1A-1C戶斤描述的多餘回飿特性所影響。 馨 由巴薩克等人(S· Basak et al·)所著，以，，鶴金屬的化學機械式平 整化之電化學觀點”為題，發表於電化學學會第—屆化學機械式平整化 國際研討會論文集第 96-22 冊 137-148 頁(“Proceeding of the First International Symposium on Chemical Mechanical Planarization,
Electrochemical Society，V〇l· 96-22, ppl37-148)者，也公開揭示 在CMP研磨液中使用硝酸鐵與過氧化氳相結合。在CMp研磨液中使用硝 酸鐵和其他添加劑(例如，合成劑），也公開揭示於奥利佛(M· R·叫槪） •編著的教科書，，半導體材料的化學機械式平整 化（Chemical-Mechanical Planarization of Semiconductor Materials ’ ISBN 3-540-43181-0，Spring-Verlag (2004))之 7· 3· 3 節和表7· 1之中。在CMp研磨液中使用硝酸鐵的缺點之一是在氧化過程 中自由鐵離子的產生，其可能殘留於完成研磨和正常清潔歩驟後平整化 的表面上成為污染物。如授予薛諾等人(Sch〇nauer技ai)的美國專利 編遽5, 662, 769巾所描述者，這些自由金屬離子可以利用一種配位子例 •1281188 如乙二胺四乙_edta)而由半導體表面移除之，其係與金屬離子形成一 種高度穩定的複合物從而抑制此等自由金屬離子在平整化表面上的沉 積作用。 具有相對高濃度研磨料的研磨液也可能用來增加CMp的整體研磨 率。然而，如此高濃度研磨料可能導致在平整化表面上的微—擦傷和其 他缺陷。為了對付此問題，更多的CMp技術，例如公開揭示於授予李等 人(Lee et al)的美國專利發行編號2002/0061635中者，已經發展成完 ⑩ 全去除研磨料的需要性。 【發明内容】 本發明之實施例包括料體晶_輯狀麵崎類_磨 _的研磨絲_齡。鱗補絲導舰分可卩和適當的氧化 劑(例如，過氧化氫)混合，以達成具有相對低的化學儀刻率和相對高的 機_率之特性的金屬*研磨液先導劑成分。相對__率 之特性係_目輸_顧式研雜(修，錄百分_声人 足夠數量的潤濕劑’對正在研磨的層下表面(例如，絕緣層、導電通孔二 ㈣其達成的。該研磨液_彳成分也包含—/ :金屬，二胺四乙酸(醜)複合物，其可以作_卩制金屬魏 物的方式限制蝴表面的最大氧化作2猎由糊表面形成整合 化與m ____’半導»板上金屬層進行 子機械式研磨之研磨液先導劑成分。此„研磨液先導劑成分包含至少 1281188 .一種酸驗值控制劑、羧酸、研磨料、金屬一丙二胺四乙酸(獲A)複合 物，潤濕劑和去離子化的水所構成的水混合物。該酸驗值控麵可能包 含無機酸和細咖至少—項，爾細可缺二乙烯乙二醇。在水 此口物中肩濕劑的數I通常典型錄大約重量百分比⑴必至[2%之間 的麵内為了達到相對南的機械研磨率，在水混合物中研磨料的數量 最好狄過大触量百分比8%，而餅的是，在大約重量百分比⑽ 至12故間。金屬一丙二胺四乙酸(M_p_複合物可能是一種鐵—丙二胺 籲四乙酸(Fe-PDTA)複合物’而在水混合物中鐵一丙二胺四乙酸的數量可能 在大約重量百分比0.1%至0 8%之間的範圍内。 本卷明的其他貫施例包括為半導體基板上鎢金屬層進行化學機械 式研磨之研磨液成分。這些研磨液成分包括—種含有過氧化氯、氫氧化 鉀、硝酸和蘋果酸的水混合物。蘋果酸供給的數量範圍大約在重量百分 比〇· 4%至〇· 8%之間。該混合物同時包含數量超過重量百分比8%的二氧 化石夕研磨料、數量範圍大約在重量百分比〇· 1%至0· 8%之間的鐵—丙二胺 籲四乙酸(Fe—PDTA)複合物、數量範圍大約在重量百分比〇·热至L 2%之間 的一乙烯乙二醇和去離子化的水。 本發明還有另外的實施例包括藉由在一半導體晶圓表面上形成電 氣絕緣層和在電氣絕緣層形成多數接觸孔洞以形成積體電路裝置的方 法。一層鎢金屬被依真實形狀地沉積於該電氣絕緣層上和多數接觸孔洞 之内。接著便執行化學金屬機械式研磨的步驟。此一研磨步驟包括利用 研磨液研磨該鎢金屬層，而研磨液成份由過氧化氫、數量超過重量百分 1281188 比8%的研磨料、數量範圍大約在重量百分比〇· 1%至〇·跳之間的鐵一丙 二胺四乙酸(Fe-PDTA)複合物、數量範圍大約在重量百分比〇·热至l找 之間的潤濕劑和去離子化的水所構成。研磨步驟之後接著是將該電氣絕 緣層暴露於清洗溶液的轉，以及執确外曝端—終結處理步驟，以 兀成该半導體晶®。_半導體晶圓接著被切餅多半導體“，其得以 個別進行封裝者。 【實施方式】 本發明現在此將參照隨附之圖說作更完整的描述，其中將顯示本發 明的優先實施例。然而’本發明可能以許多其他形式實施，而不應被看 作僅_此處提到的實施例；不是讓這些實施例提供來以便此揭示事項 是徹底而完整的，並且將把本發明所屬範轉完全傳達給在該技術領域熟 練者。類_參钱顯_狀倾鋼尾冑相互對照。 本电明之實施例包括為半導體晶圓處理而用的金屬化學機械式研 磨簡的研磨液先導劑成分。如圖2所示，形成積體電路裝置的方法 °此至儿括項在半導體晶圓處理過程期間實施的化學機械式研 磨步糊:優先考慮的研磨液先導劑成分可能是和適當的氧化劑(例 右D過乳化幻在研磨的時候混合之，以達成讓金屬哪研磨液成分具 磨的:械研磨率之特性。相對高的機械研 的矽土 w人 對尚浪度的機械式研磨料(例如，重量百分比娜 居下表面Γ足夠數量的卿(例如，二乙稀乙二醇），對正在研磨的 …恤’絕緣層、導電通孔抑制其形成微-擦傷而達成的。 .1281188 該研磨液先導劑成分也包含一種料穩定的金屬-丙二胺四乙酸 (M ]^腿)複σ物’其可赠縣_麵氧化物重嶋著於正在被研磨 的金屬表面上’且/或藉由與金屬表面形成整合物的方式限制該金屬表 面的最大氧鱗神。優先考麟麵-膽複合械—顧·複 合物。此-金屬-PDTA也可作用為抑制高濃度研磨料的的凝结作用。 +特別地’圖2的方法200包括在一半導體晶圓上形成電氣絕緣層的 步驟’如方魏。此-娜賴可魅接形成於該伟體晶圓表面 上’或者在-或更多配置於層間介電質層和半導體晶圓表面之間的下面 層上形成為-種層間的介電質層。許多接觸孔洞可能會在該電氣絕緣層 =’如方塊204。這些細孔洞可能是利用傳統上以光微縮影方式定 f的加圖案和_步驟。一種可選用的障蔽層(例如，鈦/氮化鈦)即可 此依圖案形狀在魏絕緣層的上表面和沿著接觸孔晴趣面(以及底 如方塊2G6。之後’一種金屬層，例如_金屬層，即被沉 ^孔__上’如方_。此—金屬層的厚度係 觸孔洞。 =物所示’接著細此處描述的研磨液成分在金屬層和障 " 槪予麵式研磨(㈣步驟。此—步騎續時間係足夠 型=^絕緣層的上表祕出並且在接麻洞之喊義出許多嫣金屬 而=通孔。此等導電通孔的上表面和電氣絕緣層露出的上表面是共 作用，在偵測到研磨步 後立_者-船騎絲驟，以便職·液齡和污染物由 1281188 百分比8% ’而更好的是，在大約重量百分比1〇%至12%之間（而可能更 高些）。研磨料可能是二氧化石夕其平均大小大約在14〇奈米至18〇奈米 之間的範圍内者。金屬-丙二胺四乙酸(M_PDTA)複合物可能是—種鐵 -PDTAiM； ’ 的數量可能在大約重量百分比 0.1%至0.8%之間的範圍内。在研磨之時添加大約2%重量百分比的過氧 化氫可以用來達成大約2400-2600埃/分相對高的整體研磨率，並具有 大約12埃/分相對低的靜態化學侧率(在沒有機械式研磨的情況 _下）。此一相對低的靜態化學蝴率有利於限制接觸孔洞内鶴金屬通孔 在研磨步驟完斜的退縮侧。在某些實施例中，研驗成分中構成物 的濃度可經選絲將化學餘刻率限制於5埃/分至15埃/分的範圍内。 如前述，500應用例的表2中所示，此一麵的靜態化_刻率，其亦可 視為-種躺转，餘t·含树輯作魏·_統研磨液成 分所致者。 在圖說和規格綱巾，[經揭示有本發明典_優先實酬，而雖 J戶斤用的疋特疋項目’但係以一般丨生和描述性的觀念方式使用，其目的 並非為了限制本發明在申請專利範圍中所提及之範疇。 範例
HMI :¾麽性能隨潤濕劑含景而變化 在一種混合液其含有12〇公克商用的氣懸微粒9〇G(德固薩公司出 口口）、861.8公克去離子化的水、6· 〇公克的蘋果酸、〇·丨公克的硝酸、 1281188 (U公克的氫氧鱗(咖），和4· 〇公克的丙二胺四乙酸_ 鐵OWA-Fe)， 而各加入0. 0、1. 0、4. 〇、和8. 〇公克等不隨量的二乙婦乙二醇及/ 或乙稀乙二醇作為潤濕劑。各個如此得到的反應溶液則被放進2公升的 聚乙烯實驗鎌瓶當中，以每分鐘_轉的速度娜2小時，然後利 用-種高麼分離程序在每平方英,彻〇碎⑽〇_)的麗力下分離一 次。如此生成的研磨液再經！微米過濾器過濾之，而得到一種研磨液先 導劑成分。為了考驗本發明該研磨液先導劑成分的研磨性質，將一種膠 卿Μ積於多-石夕基板上達削〇埃的厚度，成為一種鷄覆蓋物晶/ 固’然後’氮化鈦和鶴則被分別沉觀麵埃和咖〇埃的厚度，而 製=-種嶋㈣罐品特物^之前，將過 乳化風加至此-研磨液絲舰分生谢，以致其數量极 ==百分比’而接著將反應_摔’而預備成為最後的研磨液 成刀。利用域預備的研磨液成分，雜品晶圓在 _ 以下表1所示。 个辦結果如 表1
14 1281188 二乙稀乙二醇 8. 0公克 2910 5 154 乙烯乙二醇 4. 0公克 2800 14 159 乙烯乙二醇/二 乙烯乙二醇 各4.0公 克 2850 8 150 [物理性質量測方法] *研磨機器型式:6EC (STRASBAUGH) *研磨條件 -磨墊型式·· IC1400/SubaIV Stacked (Rodel) -研磨墊板轉速：75轉/分鐘 -研磨頭轉速·· 35轉/分鐘 -壓力：4 psi -背壓：0 psi -溫度：25°C '研磨液流速：250毫升/分鐘 H^L2 率隨潤濕劍含 。在一種混合液其含有120公克商用的氣懸微粒90G (德固薩公司出 )861· 8公克去離子化的水、6· 〇公克的蘋果酸、〇·工公克的俩、 a克的氫氧化鉀卿，和4· Q公克的丙二胺四乙酸省腿如）， :加入0· 0、1· 〇、4· G、和8· 〇公克等不同數量二乙烯乙二醇及 1281188 ^ 烯實驗室燒瓶當中，以每分鐘2000轉的速度擾拌2小時，然後利用一 種高壓分離程序在每平方英吋12〇〇磅(1200 psi)的壓力下分離一次。 然後’將過氧化氫力α至此一研磨液先導劑成分生成物中，以致其數量為 先導劑為準的2%重量百分比，而接著將反應溶液攪拌，而預備成為最 後的研磨液成分。接下來，將一鎢晶圓浸入該研磨液成分以便實行靜態 化學蝕刻30分鐘。另外，使用丨· 〇公克__，取代丙二胺四乙酸一 鐵(PDTA-Fe)，以便測量靜態化學蝕刻量。結果如以下的表2中所示。 .· 表2 潤濕劑 靜態化學蝕刻 率(埃/分） 丙二胺四乙酸- 鐵(PDTA-Fe) 二乙烯乙二醇 〇. 0公克 20 二乙烯乙二醇 -_ 1.0公克 18 — 二乙烯乙二醇 —~~--------- 4.0公克 ~~~~~~-—-___ 14 二乙烯乙二醇 8. 0公克 ----— 7 乙稀乙二醇 ~—— 4. 0公克 -----—_ 11 乙烯乙二醇/二 乙烯乙二醇 各10公克 ~~—_ 9 丙二胺四乙酸- 鉻(PDTA〜Cr) 二乙稀乙二醇 4. 0公克 15 二乙烯乙二醇 8. 0公克 12 石肖酸鐵 —乙稀乙二醇 ---- 8. 0公克 —，— 44 二乙烯乙二醇 - —-------- 〇. 0公克 ---- -—— 92 -----_ 16 .1281188 ' MM3 磨液混合堝氧化物的不同經歷時間而變化 在一種混合液其含有120公克商用的氣懸微粒90G (德固薩公司出 品）、861· 8公克去離子化的水、6· 0公克的蘋果酸、〇·丨公克的硝酸、 0· 1公克的氫氧化鉀(KOH)，和4. 0公克的丙二胺四乙酸-鐵(PDTA-Fe)， 而各加入0. 0和8. 0公克不同數量二乙烯乙二醇作為潤濕劑。各個如此 得到的反應溶液則被裝入2公升的聚乙烯實驗室燒·瓶當中，以每分鐘 • 2000轉的速度擾拌2小時，然後利用一種高壓分離程序在每平方英吋 1200磅(1200 psi)的壓力下分離一次。然後，將過氧化氳加至此一研 磨液先導劑成分生成物中，以致其數量為先導劑為準的2%重量百分比， 而接著將反應溶液餅’而預備成為最後的研磨液成分。另外，使用 1. 〇公克的硝酸鐵，取代丙二胺四乙酸—鐵(PDTyH?e)，就這樣，在上述 的研磨條件τ猜研練序丨分鐘’贼麵細·f。赌果如^ 下的表3中所示。 Φ 表3
17 1281188
如以上所述及者，本發明提供一^研磨液 先導劑成分’其中並有-侧鋪添加至該研綠㈣縣研磨金屬 層’藉此使得研磨液的分離穩定性得到改善，研磨當時產生的擦傷也較 少，如此而減少了缺陷的比率。同時，用來作為氧化劑的過氧化物也能 社被分解，關此’ #研磨液和過氧化物混合崎_研磨金屬層 τ由於此氣化劑不穩定所造成研磨速度低的現象也可能得到改善。 此外’當先導劑成分和金屬-丙二胺四乙酸(Μ-PDTA)—起使用時，也獲 传低的_化學伽彳率，目此祕止導電通減蝴退縮現象。 18 Ι28Π88 【圖式簡單說明】 圖1A-1C係以圖示描述利用化學-機械式研磨技術在半導體基板上 域導電通孔的傳統方法之中間結構的剖面棚。 圖2係以圖示描述依據本發明實施例所述方法形成積體電路裝置 之流程圖。 【主要元件符號說明】 1〇····半導體基板 12····電氣絕緣層 14····金屬層 16····接觸孔洞 UM’····裂缝 20····導電通孔 200····方法 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214,216, 218, 220.…方塊

Claims (1)

  1. •1281188 十、申請專利範圍·· 種對半導體基板上金屬層進行化學機械式研磨之研磨液先導 劑成分，其包括了： 一種水混合物其含有_值控_、研磨料、金屬_丙二胺四乙酸 (M-PDTA)複合物，潤濕劑和水。 2.如申請專利範圍第i項所述之研磨液先導劑成分，其中所稱之 水混合物另外包括一種叛酸。 3·如申睛專利細第2項所述之研磨液先導劑成分，其中該酸驗 值控制劑包含無機酸和氳氧化物的至少一項。 4如申請專利範圍第1項所述之研磨液先導劑成分，其中該潤濕 劑為二乙烯乙二醇。 5·如申明專利範圍第1項所述之研磨液先導劑成分，其中在所稱 之水混合物中研磨料的數量超過重量百分比8〇/〇。 6·如申請專利細第5項所述之研磨液先導劑成分，其中在所稱 之水混合物巾潤酬的數量細大約在重量骑比Q•概丨· 2%之間。 7·如申請專利細第6項所述之研磨液先導劑成分，其中在所稱 之水混合物中金屬—丙二胺四乙酸(M—pDTA)複合物的數量範圍大約在重 量百分比0· 1%至0.8%之間。 20 ⑧ :1281188 8·女申明專利細第j項所述之研磨液先導劑成分，其中在所稱 之尺心物中腐綱的數量範圍大約在重量百分比〇·概1·挪之間。 9曰如申明專利乾圍第！項所述之研磨液先導劑成分，其中在所稱 之水/心物巾麵’二胺四乙⑽—_複合物祕量細大約在重 量百分比0.1%至〇· 8%之間。 、1 〇·種為半導體基板上金屬層進行化學機械式研磨之研磨液先 φ 導劑成分，其包括了： 種^ 口物其含有酸驗值控糊、數量超過重量百分比8%的研 磨料、__在_姐0. _ ___丙二胺四乙 酸(M-_複合物’數量範_在重量百細.飢则的潤 濕劑和去離子化的水。 令申明專利I巳圍第10項所述之研磨液先導劑成分，其中所稱 I水混合物糾包括-種_。 12.如申請專利範圍第11項所述之研磨液先導劑成分，其中減 鹼值控制劑包含無機酸和氫氧化物的至少一項。 :如申請專利範圍第12項所述之研磨液先導劑成分，其中該潤 濕劑為二乙烯乙二醇。 10項所述之研磨液先導劑成分，其中該潤 14.如申請專利範圍第 濕劑為二乙烯乙二醇。 21 ⑧ :l28ll88 15· —種為半導體基板上鎢金屬層進行化學機械式研磨之研磨液 先導劑成分，其包括了： 一種水混合物其含有氫氧化鉀、硝酸、數量範圍大約在重量百分比 〇· 4%至0· 8%之間的蘋果酸、數量超過重量百分比跳的二氧化石夕研磨 料、數量範圍大約在重量百分比〇· 至〇· 8%之間的鐵—丙二胺四乙酸 CFe-PDTA)複合物，數量範圍大約在重量百分比〇· 4%至丨· 2%之間的二乙 ^ 烯乙一醇和去離子化的水。 16·—種為半導體基板上金屬層進行化學機械式研磨之研磨液成 分’其包括有過氧化氫、至少一種酸驗值控制劑、數量超過重量百分比 8%的研磨料、數量範圍大約在重量百分比〇· 1%至0. 8%之間的鐵一丙二胺 PDTA)複合物、數量範圍大約在重量百分比〇. 4%至1.2%之間 的潤濕劑和去離子化的水。 • 17·如申請專利範圍第16項所述之研磨液成分，其中該潤渴劑包 括二乙烯乙二醇。 …、 量的18-如申請專利範圍第16項所述之研磨液成分，其中提供足夠數 坨、、、過氣化氫’使得當研磨液成分在室溫下暴露給鎢金屬層時，能讓靜 —餘刻率達到大約5埃/分至15埃/分的細内。 19 — y 種形成積體電路晶片的方法，包括了以下步驟： 在半導體晶圓表面上形成一種電氣絕緣層； 22 ⑧
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